土钉支护在基坑支护中的应用研究

王 飞 常思源

0 引言

随着我国经济的发展,城市规模的扩大,城市基础设施建设、地下空间开发等越来越受到重视。其中高层建筑的大量增加要求基础地基应具有足够的开挖深度,特别是在地质条件和土层分布比较复杂的区域,深基坑的支护已经成为工程必须解决的难题。由于深基坑支护不合理引发的事故,可以经常在各种工程中见到。在基坑工程施工中,应综合考虑工程地质与水文地质条件、基础类型、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求、基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素,做到因地制宜,因时制宜,合理设计、精心施工、严格监控。土钉支护技术作为基坑支护的一种重要手段,由于其具有施工机具灵活,工艺简单,能够适应比较狭小的工作场地,且投资少等特点,受到界内人士的广泛重视,土钉支护技术也逐渐被推广及使用。

1 土钉支护计算

对于基坑支护,规范规定应根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求进行计算和验算。

1)基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算,计算内容应包括:a.根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算;b.基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算;c.当有锚杆或支撑时,应对其进行承载力计算和稳定性验算。2)对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁,尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。3)地下水控制计算和验算:a.抗渗透稳定性验算;b.基坑底突涌稳定性验算;c.根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。

一般来说针对土钉支护,需进行的计算包括土钉抗拉承载力计算和土钉墙整体稳定性计算,其中土钉抗拉承载力可以通过下式计算:

其中,Tjk为第j根土钉受拉标准荷载值;Tuj为第j根土钉受拉承载力设计值。

土钉墙应根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面采用圆弧滑动简单条分法按下式进行整体稳定性验算。计算方法如下:

其中,K为整体稳定系数,K≥1.3;cj为岩土粘聚力;φj为岩土的内摩擦角;Wj为分块重量,kN/m;Lj为分块的潜在破裂面长度;αj为破裂面与水平面的夹角,(°);βj为土钉轴线与破裂面的夹角,(°);Pj为土钉的抗拔力;n为实设土钉排数;sx为土钉水平间距,m。

2 土钉支护机理

在工作机理上,土钉墙是高强度土钉、网喷混凝土面层及原状土三者共同受力,增强了土体破坏延性,很好地改变了边坡突然塌方的性质,有利于安全施工。基坑边坡置入土钉后,潜在滑动面的位置发生了变化,表现为向边坡后移动。这是由于钉土间的相互作用使外荷载和主动滑动区土体产生的滑动力向素土边坡最危险滑动面后土体传递,从而调动了滑动面后土体的粘聚力作用,使滑动面后的土体参与了阻止滑动区土体的滑动。随着滑动力的逐渐增大,滑动面后更深层土体的粘聚力逐渐被调动起来,最先被调动起来的土体由于自身应力的增大,当达到抗剪强度时,将和滑动区土体一起滑动。所以土钉支护的边坡失稳时,滑动面和素土边坡最危险滑动面相比,会发生向边坡后移动的现象。

土钉利用了土体的自承载能力,使基坑周围土体转化为支护结构的一部分,经济效益可观。土钉墙支护一般适合于地下水位以上或经过降排水措施后的素填土、普通黏性土、粘性的砂土和粉土等较为均匀土体边坡。当场地同时存在土层和不同风化程度岩体时,应用土钉墙支护特别有利。

3 土钉支护技术在基坑支护中需要注意的问题

土钉支护技术被广泛的应用于基坑支护中,土钉支护法以尽可能提高和最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度、变土体荷载为支护结构体系的一部分为其基本原理,土钉主动支护土体,并与土体共同作用,具有施工简便、快速及时、机动灵活、适应性强、随挖随支,以及安全经济等特点,因而在基坑中得到了广泛的应用,取得了显著的社会效益和经济效益。但是在基坑支护中需要注意的问题有以下方面:

1)施工过程中必须自始至终与现场的测试监控相结合,通过变形等测量数据和施工过程,不断发掘现场地质情况,及时指导下一步的施工。2)要充分考虑地表径流和地下水的影响,如施工时渗水严重就不能喷射面层混凝土,容易引起塌坡和塌孔,当地下水的流量较大,施工时应采取专门措施降低地下水位。在今后的工程中,应加强和完善对坡面土压力、土钉轴向的应力分布、锚固体与土体间的摩阻力的研究和测定,边坡在开挖与支护后的变形观测等工作,为完善设计理论提供可靠的测试数据。

在施工和管理中,首先需要制定安全生产责任制,明确项目经理为项目安全生产第一责任人,对有关的管理、执行和检查人员都明确具体职责,做到分工明确,各负其责。其次制定基坑专项施工方案,分析确定危险部位和过程,并制定相应的应急措施,使这些危险部位和过程能得到有效控制。第三要坚持“安全第一、预防为主”的方针,加强对职工的安全教育,并体现全面、全员、全过程的原则,确保只有经过安全教育的人员才能上岗。

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